(57)【要約】【課題】  十分な利得を確保しつつ光導波路でのスポットサイズを最小にして出射端面での反射率を低減する。【解決手段】  半導体発光素子１０は、少なくとも一方の素子端面に、この素子端面と利得を有する光導波路の先端との間に窓領域Ｅ２が形成された窓構造を有しており、光導波路が、窓領域Ｅ２と光導波路との接続面に接するように配置されたスポットサイズ縮小化領域Ｅ３を備えている。このスポットサイズ縮小化領域Ｅ３は、窓領域Ｅ２に向かって導波路幅が減少していくように、窓領域Ｅ２との接続面での光導波路のスポットサイズが最小となる幅で形成される。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
窓領域（Ｅ２）が、少なくとも一方の素子端面に、当該素子端面と利得を有する光導波路の先端との間に形成された、窓構造を有する半導体発光素子（１０）において、
前記光導波路は、前記窓領域と前記光導波路との接続面に接するように配置されたスポットサイズ縮小化領域（Ｅ３）を備えたことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記スポットサイズ縮小化領域（Ｅ３）は、前記窓領域（Ｅ２）に向かって導波路幅が減少していくことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光導波路中の活性層領域が端面近傍で途切れる窓領域が少なくとも一方の端面に形成された窓構造を有する半導体発光素子に係り、十分に利得を確保しつつ素子の光出射端面での反射率を低減することができる半導体発光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体発光素子は、電子と正孔が結合する際のエネルギー差が光として放出される現象を利用するもので、導波構造等の違いにより発光ダイオード(Light Emission Diode:LED)、スーパールミネッセントダイオード(Superluminescent Diode:SLD)、レーザダイオード(Laser Diode) 等に分類される。いずれも小型、高信頼性、低価格、低消費電力などの優れた特性を有するため、ＬＥＤは各種照明や表示装置等に、ＳＬＤは各種計測用光源等に、ＬＤは光ファイバ通信や計測用光源、加工機器等に幅広く利用されている。
【０００３】
上記の内、ＬＤは通常、劈開によって形成された端面を２枚有し、これが反射鏡となって光が両者の間を往復しレーザ発振を起こすのであるが、敢えて片方の反射率を極端に下げて光を外部に取りだし、任意の反射鏡と光結合させて発振させる外部共振器型(External Cavity:EC)ＬＤを構成すると、反射鏡に可動式回折格子等を用いることで波長を任意に制御することができ、光部品の波長依存性などを測定する際の計測光源として有用である。また片方の端面の反射率を下げてレーザ発振しなくなった発光素子は、インコヒーレントな光を放出するＳＬＤとして動作する。
【０００４】
従って、ＥＣ−ＬＤ用発光素子（以下、単にＥＣ−ＬＤと呼ぶ）やＳＬＤでは、レーザ発振しないように端面反射率をできるだけ下げることが望ましい。通常は誘電体多層膜による無反射(Anti-Reflection:AR)コートを施すが、これだけでは０．１％程度までしか反射率を下げることは出来ない。しかもＡＲコートの反射率は波長依存性が大きいため、１００ｎｍを超えるような波長可変幅を有するＥＣ−ＬＤや、やはり１００ｎｍを超えるような広い発光スペクトル半値幅を有するＳＬＤを実現しようとしても、全ての波長で低い反射率を得ることは出来なかった。なお、反射率が十分に下がらないと、ＥＣ−ＬＤでは動作が不安定になったり発振しない波長帯域が生じたりする。またＳＬＤではリップルと呼ばれる発光スペクトルの周期性が現れる。
【０００５】
そこで、上記光源における光出射端面での反射率をさらに低減するため、例えば下記特許文献１に開示される窓構造を有する半導体発光素子が知られている。
【０００６】
図３に示すように、特許文献１に開示される半導体発光素子５１は、半導体基板５２と、半導体基板５２の上面における長尺方向に沿って形成され、第１導電型の第１のクラッド層と活性層と第２導電型の第２のクラッド層とからなる台形状断面形状を有するメサストライプ部５３と、メサストライプ部５３を半導体基板５２における長尺方向の少なくとも一方端との間に窓領域５４ａまたは５４ｂを介在させて形成する。さらに、メサストライプ部における一方端部領域側の端面５５ａ、５５ｂは、図示のように鋭角傾斜して形成され、端面５６ａ、５６ｂには無反射膜５７ａ、５７ｂが形成されている。
【特許文献１】特開２００３−１７８０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、この種の窓構造を有する半導体発光素子では、（１）窓構造の窓長、（２）光導波路での光のスポットサイズ（光導波路方向に垂直な断面で見たときの光の電界分布）によって光出射端面での反射率が決まるという特性を有している。
【０００８】
まず、（１）に関しては、窓構造の窓長を長くするほど、光出射端面から出射される光が広がるため、光出射端面での反射率を下げることができる。
【０００９】
また、（２）に関しては、光導波路での光のスポットサイズを小さくするほど光出射端面での反射率を下げることができる。
【００１０】
具体的に、図４は光出射端面を劈開状態とし、窓領域長が２５μｍと４０μｍのときのスポットサイズと光出射端面での反射率との関係を示している。図４を見ても明らかなように、窓領域長が２５μｍのときよりも窓領域長が４０μｍのときの方が光出射端面での反射率が低いことが判る。また、窓領域長が同じ場合でも、スポットサイズが小さいほど光出射端面での反射率が低いことが判る。
【００１１】
このように、窓領域長は長くするほど光出射端面での反射率を低下させることができるが、窓領域長を長くした分だけ素子長も長くなって素子全体の構造が大型化するという問題があった。
【００１２】
また、上述した光導波路での光のスポットサイズは、半導体発光素子の活性層幅によって決まり、活性層幅がある値のときにスポットサイズが最小となり、このときの活性層幅の値を中心として活性層幅を大きくしても小さくしてもスポットサイズが大きくなるという特性を有している。図５は活性層幅とスポットサイズの関係を示しており、この例では活性層幅が１．８μｍのときにスポットサイズが最小となる。しかし、活性層幅を１．８μｍに設定した場合には、光導波路方向に垂直な断面で見たときの光の電界分布がシングルモードの状態で最大利得を得ることができなかった。このため、従来の半導体発光素子では、光導波路での光のスポットサイズがシングルモードで最大利得が得られるように活性層幅を一定幅に設定していた（図５の例では、点Ｐで示す活性層幅２．０μｍ）。
【００１３】
しかしながら、最大利得が得られるように活性層幅を設定すると、光導波路での光のスポットサイズが最小とはならず、光出射端面での反射率を所望値まで十分に低減することができなかった。また、光導波路での光のスポットサイズが最小になるように活性層幅を設定すると、光出射端面での反射率を低減させることはできるが、最大利得が得られないという問題があった。
【００１４】
そこで、本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、十分に利得を確保しつつ光出射端面での反射率を低減することができる半導体発光素子を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するために、請求項１に記載された半導体発光素子は、窓領域Ｅ２が、少なくとも一方の素子端面に、当該素子端面と利得を有する光導波路の先端との間に形成された、窓構造を有する半導体発光素子１０において、
前記光導波路は、前記窓領域と前記光導波路との接続面に接するように配置されたスポットサイズ縮小化領域Ｅ３を備えたことを特徴とする。
【００１６】
また、請求項２に記載された半導体発光素子は、請求項１記載の半導体発光素子において、
前記スポットサイズ縮小化領域Ｅ３は、前記窓領域Ｅ２に向かって導波路幅が減少していくことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の半導体発光素子によれば、窓領域との接続面での光導波路のスポットサイズが最小となる幅で活性層が形成されるので、十分な利得を確保しつつ光導波路での光のスポットサイズを最小にして光出射端面での反射率を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について、添付した図面を参照しながら具体的に説明する。図１は本発明に係る半導体発光素子の一例を示す概略構成図であり、同図（ａ）は素子の上面図、同図（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図、同図（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図、図２は本発明に係る半導体発光素子の他の例を示す概略平面図である。
【００１９】
まず、本例の半導体発光素子の概略構成について図１（ａ）〜（ｃ）を参照しながら説明する。
【００２０】
図１（ａ）〜（ｃ）に示すように、本例の半導体発光素子１０は、半導体基板としてｎ−ＩｎＰ基板１上にメサ構造が形成され、メサ中には活性層２、その上面にはクラッド層としてｐ−ＩｎＰクラッド層３が順次積層されている。半導体発光素子１０は、活性層２からなる活性層領域Ｅ１が反射端面１０ａから光出射端面１０ｂに向かって所定長さ延出し、光出射端面１０ｂ近傍で途切れて光出射端面１０ｂとの間に窓領域Ｅ２を形成している。この窓領域Ｅ２を有する窓構造を採用することにより、窓構造の無い光出射面１０ｂが劈開面の場合の略３０％の反射率を約１／４程度まで低減することができる。
【００２１】
また、図１（ｂ），（ｃ）に示すように、メサの両側及び窓領域Ｅ２部分には、埋込層としてｐ−ＩｎＰ電流ブロック層４及びｎ−ＩｎＰ電流ブロック層５が埋込まれ、電流経路の狭窄化及びストライプ型光導波路を形成している。
【００２２】
なお、反射端面１０ａは、所定の反射性を有する面であれば良く、例えば劈開面、ＨＲやＬＲ等の低反射面からなる。また、光出射端面１０ｂには、端面での反射を低減する目的で、誘電体多層膜からなるＡＲコートの無反射膜が施されている。これにより、光出射面１０ｂが劈開面の場合の略３０％の反射率を略０．１％まで低減することができる。
【００２３】
ここで、本例の素子構成では、さらに光出射端面１０ｂでの反射率を低減するため、活性層領域Ｅ１が、反射端面１０ａから幅Ｈ１で窓領域Ｅ２側に向かって所定長さ延出し、窓領域Ｅ２との接続面で幅Ｈ２（＜Ｈ１）となるように中途位置からテーパ状のスポットサイズ縮小化領域Ｅ３を形成している。このテーパ状のスポットサイズ縮小化領域Ｅ３における窓領域Ｅ２との接続面の幅Ｈ２は、窓領域Ｅ２との接続面での光導波路のスポットサイズが縮小されるように形成される。なお、窓領域と光導波路の接続面でのスポットサイズと窓領域の長さによって出射端面での反射率が決まるため、この接続面の幅Ｈ２を、窓領域の長さ次第ではスポットサイズが縮小される幅で形成すれば良いが、スポットサイズが最小となるように形成するのが最も好ましい。
【００２４】
図５を例にとって具体的な数値を示すと、窓領域Ｅ２との接続面におけるスポットサイズが最小となる１．８μｍにスポットサイズ縮小化領域Ｅ３の幅Ｈ２を設定している。また、図５におけるシングルモードとマルチモードとの境界となる活性層領域Ｅ１の幅Ｈ１は、素子の層構造（例えば活性層２の層構造や厚さ、クラッド層の層構造など）によっても異なり、図５におけるシングルモードとマルチモードとの境界となる幅も２．０μｍを境にして前後するが、本例ではシングルモードとなる値（例えば２．０〜２．２μｍ程度）に活性層領域Ｅ１の幅Ｈ１を設定している。
【００２５】
また、活性層領域Ｅ１の幅Ｈ１は、スポットサイズ縮小化領域Ｅ３によって低下する利得が補える程度の幅に設定するのが好ましい。これにより、所望とする利得を確保しながら窓領域Ｅ２との接続面におけるスポットサイズを最小にして光出射端面１０ｂでの反射率を低減することができる。また、窓領域Ｅ２の長さは、ｐ側の層厚が薄いことによって活性層２から出射された光が上面側電極で乱反射しない程度の寸法、例えば２５〜４０μｍ、好ましくは３０〜３５μｍに設定する。
【００２６】
このように構成される本例の半導体発光素子１０において、活性層領域Ｅ１の幅Ｈ１を２．０μｍ、スポットサイズ縮小化領域Ｅ３の幅Ｈ２を１．８μｍにすれば、例えば活性層領域Ｅ１の幅Ｈ１が２．０μｍの従来の窓構造の半導体発光素子と比較した場合、利得が僅かながら低下するが、窓領域Ｅ２との接続面での光導波路のスポットサイズが最小となるので、光出射端面１０ｂでの反射率を低減することができる。また、シングルモードの状態で活性層領域Ｅ１の幅Ｈ１を２．０μｍより大きく設定すれば、スポットサイズ最小化領域Ｅ３での利得の低下分を補うことができ、所望とする利得を確保しつつ光出射端面１０ｂでの反射率を低減することができる。
【００２７】
一方、ＩｎＰ系発光素子の高出力化の手法の一つとして、ｐ型クラッド層内で生じる価電子帯間吸収による損失を抑えるため、下記特許文献２にあるようなｎ型クラッド層としてＩｎＧａＡｓＰを用いた４元クラッド構造が知られている。
【特許文献２】特許第３５２５２５７号
【００２８】
このような構造を用いた場合は、クラッドの平均屈折率が高くなってコアである活性層との屈折率差が小さくなり、横モードのカットオフ幅はかなり広くなる。すなわち、活性層領域Ｅ１の幅Ｈ１は、４〜６μｍ程度まで拡大することができ、大きな利得を得ることが出来る。そして本発明の実施によって窓領域との接続面においては活性層幅をスポットサイズが最小となる幅にまで狭めることで窓構造による反射率低減効果は十分に発揮され、高出力で広帯域波長可変なＥＣ−ＬＤや、高出力で低リップルのＳＬＤが実現される。
【００２９】
ところで、上述した半導体発光素子１０は、一方の端面側のみ窓構造を有した構造であるが、両端面側の両方に窓構造を有する構造であっても良い。例えば光増幅器などで使用する半導体発光素子の場合には、図２に示すように、素子の両端面側に窓領域Ｅ２（Ｅ２ａ，Ｅ２ｂ）を有した半導体発光素子１０で構成される。その際、活性層領域Ｅ１の両端にはそれぞれスポットサイズ縮小化領域Ｅ３（Ｅ３ａ，Ｅ３ｂ）が形成される。また、スポットサイズ縮小化領域Ｅ２と光出射端面１０ｂ，１０ｂとの間にはそれぞれ窓領域Ｅ２（Ｅ２ａ，Ｅ２ｂ）が形成される。このような両端面側に窓構造を有する半導体発光素子の場合でも、前述したように所望とする利得を確保しつつ窓領域Ｅ２との接続面におけるスポットサイズを最小にして光出射端面１０ｂ，１０ｂでの反射率を低減することができ、窓領域Ｅ２が１つの場合と同様の効果を奏する。
【００３０】
このように、本例の半導体発光素子は、少なくとも一方の端面側に窓領域Ｅ２を有し、活性層領域Ｅ１から出射されたレーザ光の光導波路中でのスポットサイズが窓領域Ｅ２との接続面において最小になるように活性層領域Ｅ１の先端部分にスポットサイズ縮小化領域Ｅ３を有して活性層２が形成されている。そして、活性層領域Ｅ１から出射された光が、最終的にスポットサイズ縮小化領域Ｅ３で最小のスポットサイズによるシングルモードの光として、窓領域Ｅ２を介して光出射端面１０ｂから出力される。したがって、活性層領域Ｅ１の幅Ｈ１とスポットサイズ最小化領域Ｅ３の幅Ｈ２とを適宜設定して活性層２を形成することにより、所望とする利得を十分に確保しつつ窓領域との接続面でのスポットサイズを最小にして光出射端面での反射率を低減することができる。
【００３１】
以上、本発明を用いて最良の形態について説明したが、この形態による記述及び図面により本発明が限定されることはない。すなわち、この形態に基づいて当業者等によりなされる他の形態、実施例及び運用技術等はすべて本発明の範疇に含まれることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】（ａ）本発明に係る半導体発光素子の一例を示す上面図である。  （ｂ）（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。  （ｃ）（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。
【図２】本発明に係る半導体発光素子の他の例を示す概略平面図である。
【図３】特許文献１に開示される従来の半導体発光素子の概略構成を示す透視図である。
【図４】窓領域長を変えたときのスポットサイズと光出射端面が劈開状態での反射率との関係を示す図である。
【図５】活性層幅とスポットサイズの関係を示す図である。
【符号の説明】
【００３３】
１  ｎ−ＩｎＰ基板（半導体基板）
２  活性層
３  ｐ−ＩｎＰクラッド層
４  ｐ−ＩｎＰ電流ブロック層
５  ｎ−ＩｎＰ電流ブロック層
１０  半導体発光素子
１０ａ  反射端面
１０ｂ  光出射端面
Ｅ１  活性層領域
Ｅ２（Ｅ２ａ，Ｅ２ｂ）  窓領域
Ｅ３（Ｅ３ａ，Ｅ３ｂ）  スポットサイズ縮小化領域
Ｈ１  活性層幅
Ｈ２  スポットサイズ縮小化領域における窓領域との接続面の幅
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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